KARSZTFEJLŐDÉS XIII. Szombathely, 2008. pp. 61-73. A LÉGNYOMÁS-INGADOZÁS HATÁSA A FORRÁSOK VÍZHOZAM-VÁLTOZÁSÁRA MAUCHA LÁSZLÓ VITUKI Kht. 1095. Budapest, Kvassay Jenő út 1. Maucha @ vituki.hu Abstract: In 1972 we did not find any discharge changes in the spring of Jósvafő district that was the effect of airpressure fluctuation. However during the first detailed research it appeared that the outbreak of the siphons have maximum a in the time when the air-pressure is at minimum this means that the air-pressure takes part in variating the discharge of the springs. In this paper we present that during later researches some variations caused by air-pressure can by seen in the Jósvafő karst water time series. It was also observed that the air-pressure minimum causes lithoclases fluktuations in the karst bedrock. It can be assumed that the karst water level and the spring discharge variations at Jósvafő are caused by this effect in some cases. The effect of air-pressure fluctuations is not systematically present in the variation of spring discharge, because the air-pressure and the water level are changing continuously but in an opposite sense as was proven by P. GERBER at No. 1 observing well at Tatabánya. This means that the effect of air pressure is always present in the variation of the water level, but its effect is usually equalized in the water output fluctuation. This circumstance makes the unique working mechanism of air-pressure effects understandable. 1. Bevezetés A források vízhozam-változásait befolyásoló természeti tényezők vizsgálatát az a kedvező körülmény tette lehetővé, hogy a jósvafői Karsztkutató Állomáson a meteorológiai észleléseken kívül 1964-ben megkezdődött a források folyamatos, műszeres vízhozam-regisztrálása is. Jósvafő környékén a különleges tulajdonságokkal rendelkező források (az ország három szivornyás-forrása közül kettő itt fakad) hozam-változásában a csapadékon kívül még hat olyan tényezőt találtunk, amely részt vesz a források hozamidősorának kialakításában. A szivornya-tevékenység, az árapály és a földrengések-hatása, a hóolvadás időszaki léghőmérséklet-ingadozás befolyása, valamint a különböző szélességű járatrendszerek ugrásszerűen csökkenő kiürülési sebesség értékei mind jól megfigyelhető hozam-változást hoznak létre (MAUCHA 1967, 1967, 1977, 1997, 1997, l998, 2002, 2004). A légnyomás-ingadozás volt az egyetlen olyan jelenség, amelyet nem tudtunk közvetlenül megfigyelni a források vízhozam-változásában. 2. A légnyomás-hatás első vizsgálata 1972-ben merült fel az a gondolat, hogy a légnyomás-ingadozás olyan kis változást hoz létre a források vízhozam-idősorában, hogy ezt a jelenséget csak a szivornya-tevékenység figyelembe vétele alapján lehetne kimutatni. 61
Ismeretes, hogy a karsztvizek árapály-jelenségének létezésére a (felszín alatti patakok 6-órás periódusú árapály-ingadozása) a szivornyás kitörések 6, 12, 18, 24-órai legnagyobb megjelenési gyakorisága hívta fel a figyelmet (MAUCHA 1967). Ezeket a viszonylag kis hozam-változásokat a szivornyák (mint érzékeny hidraulikai jelfogók) nagy hozamú kitörésekkel jelzik. Ezért 1972-ben meghatároztuk az 1965-1969-évi 5 éves időszakra a Nagy- Tohonya-forrás szivornyás-kitöréseinek kezdő-időpontjait és megnéztük, hogy ezek az időpontok a légnyomás ingadozás azonos időszaki változásának egyes periódusaiban melyik fázis-értékhez tartoznak. A munka megkönnyítése érdekében minden légnyomás periódust 20 fázisértékre osztottunk fel. Az 1. ábrán bemutatjuk, hogy 5 év alatt összesen 216 szivornyáskitörés kezdő időpontját vettük figyelembe. Légnyomás növekedések időszakára 101, légnyomás csökkenések időszakára 115 kitörés esett. Arra az eredményre jutottunk, hogy a vizsgált kitöréseknek maximuma van a légnyomás változás csökkenő szakaszainak inflexiós-pontjában. Óvatos megfontolások alapján csak a 0 Cº külső léghőmérséklet alatti időszakban történt kitörések eloszlását fogadtuk el megbízható eredménynek (1. ábra, alsó görbe). A kapott eredmény helyes értékelése érdekében ugyanis ki kellett zárni az un. zivatar orrok (zivatar kitörésekor jelentkező éles légnyomás csökkenések) időszakában beszivárgó csapadék-hatás befolyását. Fentiek alapján megállapítottuk, hogy a légnyomás eredetű ingadozás is szerepet játszik a források vízhozam-változásában, de akkor még nem tudtuk, hogy milyen vízhozam változásokat hoz létre a légnyomás-hatás. 1. ábra. A légnyomás-hatás kimutatása a jósvafői Nagy-Tohonya forrás vízhozam változásában a szivornyaműködés hatásának figyelembe vételével. Fig. 1. The presentation of the effects of air-pressure in the discharge of the Nagy-Tohonya spring at Jósavafő taking in consideration the effect of the siphon outburs. 62
3. Kapcsolat a légnyomás-ingadozás és a vízszint-változás között A fenti vizsgálatok elvégzése után értesültünk arról az új kutatási eredményről, amelyet a Tatabánya 1. sz. karsztvízszint-észlelő fúrás vízszint változásában lehetett megfigyelni (GERBER 1965). A 2.a, b. ábrán bemutatjuk, hogy az idézett Szerző 1964-1965-évben éles és folyamatos kapcsolatot talált a légnyomás-ingadozás és a vízszint-változás között, sőt a karsztvízszint árapály-ingadozását is megfigyelte. Az egy éves időtartamú vizsgálat arra az eredményre vezetett, hogy a légnyomás- és a vízszint-idősor ellentétesen változik, melynek során 1 Hgmm-es légnyomás- változáshoz 1 cm-es vízszint-változás tartozik. A maximális vízszint ingadozás légnyomás hatására 25 cm volt. Az árapály-ingadozás 10-12 cm-es amplitúdóval jelent meg a vízszint-idősorban. a 63
b 2. a, b ábra. A légnyomás- és az árapály-jelenség kimutatása a Tatabánya-1 sz. kút vízszint-változásában Gerber Pál vizsgálatai alapján. Jelmagyarázat: 1. karsztvízszint, 2. légnyomás érték, 3. a hold fényváltozásai Fig. 2a, b. The presentation of air-pressure and tidal effects in the water level changes at No. 1 observing well at Tatabánya according to the research of Paul Gerber. Legend: 1. karst water table, 2. pressure degree, 3. moon of light changing A vizsgált észlelő-kút pontos rétegsorát nem adták meg. A fúrást fedett karszton létesítették, ahol a dachsteini-mészkövet valószínűleg 30 méter mélyen érték el a harmadkori vízzáró rétegek alatt. Az alaphegységben dolomit is található. A vizsgált időszak csapadékösszege Tatabányán (az első év szeptembertől a következő év augusztusáig) 892 mm volt. Az éves maximális légnyomás-változás 38 Hgmm, míg az éves vízszint-változás csak 1,57 m volt, mivel a kút környékén jelentős bányavíz betörés volt a mérés során. A 64
vizsgált időszakban az évi légnyomás periódusok száma 57 volt, tehát egy átlagos légnyomás periódus időtartama 6 nap körüli értéknek adódott. Jósvafő környékén a karsztvízszint vizsgálatát a forrásmérések kezdete után csak 5 évvel később indítottuk el. Ez a körülmény és az adatok feldolgozásának elhúzódása 1972-ben még nem tette lehetővé a légnyomásvízszint kapcsolatának vizsgálatát. Erre a kutatási munkára csak később került sor. Az ezzel kapcsolatos eredmények ismertetését ebben a tanulmányban szeretném bemutatni. A tanulmányban közölt 4. ábrán a légnyomás eredetű változásokat L-betűvel, a csapadék eredetű változásokat C -betűvel jelöltük. A Kutató Állomás folyamatos vizsgálati eredményeinek első számítógépes feldolgozása után (Cser Ferenc és Szigeti Antal közreműködésével, 3. ábra) lehetővé vált, hogy 1970. évre vonatkozóan az összes mért hidrológiai, meteorológiai és geofizikai adatot óránként feldolgozott diagrammon mutassuk be. Az ábrán felülről lefelé haladva ábrázoltuk a luniszoláris gravitációs-görbe ingadozását, a légnyomás változását, a Lófej-forrás vízhozam-idősorát, a Kis-Tohonya-forrás vízhozam-idősorát, a levegő hőmérséklet változását, a helyszínen mért földrengések mért amplitúdóit, a Nagy- Tohonya-forrás vízhozam változását, valamint a jósvafői Kutató Állomáson mért csapadék óránkénti értékeit. A légnyomás-hatás további vizsgálata érdekében a fenti komplex diagrammot a később feldolgozott karsztvízszint-változás naponként mért adataival is kiegészítettük (3. a, b, c, d ábra legalsó idősora). Megállapíthatjuk, hogy a Nagy-Tohonya-forrás közelében fúrt kút vízszint-idősora nagyon hasonló változást mutat, mint a fenti forrás vízhozam-ingadozása. Kissé eltérő jellegű az 1970. április 5 és 10 közötti változások menete, illetve a június havi idősor, amikor időben hamarabb jön létre a vízszint-, mint a vízhozam-változása. Ebben a hónapban még a ingadozások amplitúdója is eltérő mértéket mutat. Ennek oka az a körülmény, hogy a források vízhozamváltozása nem egy ponton történő vízszint-változás eredménye, hanem az egész vízgyűjtő-területen történt vízszint-változások statisztikus átlagából következik. A fenti ábrán jól látható, hogy a szivornyás-kitörések és az árapály eredetű hozam-ingadozások, valamint az áradások időben eltérő kiürülési sebesség-értékei jelentős változásokat eredményeznek a források hozamingadozásában. Más időszakban a földrengések és a hóolvadás időszaki léghőmérséklet változások hatása is megfigyelhető a vízhozam-idősorokban. Kezdettől fogva érthetetlen volt, hogy a légnyomás-ingadozások miért nem jelennek meg a vízhozam változásban? 65
a b 66
c d 3. a, b,c, d ábra. A jósvafői Karsztkutató Állomáson mért meteorológiai, hidrológiai és geofizikai változások 1970. évi óránkénti adatsora, valamint a napi átlagos vízszint értékeinek diagrammja. I. negyedév. II. negyedév. III. negyedév. IV. negyedév. Fig. 3. a, b, c, d. The hourly measured changing of meteorological, hydrological, and geophysical data at the Jósvafő Research Station in 1970. Quarterly 1. Quarterly 2. Quarterly 3. Quarterly 4. 67
4. ábra. Kapcsolat az 1970. évi légnyomás-ingadozás és a Jósvafő 1. sz. észlelőkút karsztvízszint-változása között. Fig. 4. Connection between the air-pressure fluctuation and the changing of the karstwater level in the No. 1. Jósvafő observing well in 1970. Megvizsgálva a 3. ábra karsztvízszint változásait megállapíthatjuk, hogy 1970. február 16-án - egy erősebb légnyomás minimum kialakulását követően - ugrásszerű vízszint-növekedés jött létre. Figyelembe véve azt a körülményt, hogy az esemény negatív léghőmérséklet időszakában jött létre, (lásd a komplex-diagram hőmérsékleti idősorát) arra következtetünk, hogy az említett változás nem csapadékos-áradás, hanem az erős légnyomás csökkenés következtében alakult ki. Árapály jelenség sem okozhatta a fenti jelenséget, mert annak amplitúdója ebben az észlelő kútban csak 2-3 cm. Földrengés-hatás is szerepet játszhatott a jelenség élességében, de az egyidejű földmozgás csak átlagos amplitúdójú volt. Megfigyeltük, hogy az év folyamán több légnyomás eredetű változás is létrejött a vízszint változásban, de csak nehezen felismerhető kisebb vízszint növekedések fordultak elő a légnyomás-minimumok időszakában. Fentiek miatt elhatároztuk, hogy a légnyomás vízszint kapcsolat érdemi megfigyelésére új ábrát szerkesztünk (4. ábra), amelyen csak a légnyomás- és a vízszint-idősora szerepel és a vízszintes időtengely egységeinek méretét csökkentettük, valamint a függőleges tengelyen a légnyomás- és vízszint-változások egységeinek méretét megnöveltük. 68
A 4. ábrán az így létrejött nagyobb változások időszakában, vagy azok között 11 időpontban több kisebb vízszint változást találtunk. Az időben első nyolc kis változás vízszint növekedésként, a további három szélső érték vízszint csökkenésként jelent meg a vízszint-idősorban. Ezek közül csak az öt, nyíllal kijelölt kis változás fogadható el biztosan légnyomáshatás eredményének, mert ezek időszakában az előző három napon át, vagy negatív léghőmérséklet alakult ki, vagy pozitív hőmérséklet esetén 2 mmnél nagyobb napi csapadék, vagy 2 cm-nél nagyobb hóolvadás nem volt (I. táblázat). A biztosan légnyomás-eredetű változásokat (mint már korábban említettük) a 4. ábra alján L betűvel, a csapadék eredetű szélső értékeket C betűvel jelöltük. Az 1970. december 25-én megfigyelhető éles vízhozam csökkenést kihagytuk a légnyomás által okozott változások közül, annak ellenére, hogy megfelelt a fenti feltételeknek. Ennek oka az, hogy a kezdődő csapadékos áradás miatt lehet, hogy csak látszólagos negatív csúcscsal állunk szemben. 1. táblázat Table I. Meteorológiai adatok a Jósvafő 1. sz. karsztvízszint-észlelő kút kis vízszint-különbségei légnyomás eredetének meghatározásához Meteorological data from determination of air pressure origin of the little water level differences in the water level time series of the No. 1 observing well at Jósvafő. 69
A Jósvafő-1 sz. észlelő-kutat a Szelce-völgyben wettersteini mészkőben hozták létre. A nagyon erősen karsztosodott nyílt-karsztos területen fúrt kút a Nagy-Tohonya forrástól ÉK-re 750 m távolságban helyezkedik el. A vizsgált egy év alatt a Jósvafői Kutató Állomáson a csapadék öszszege 944 mm volt. A legnagyobb légnyomás-változás 36 Hgmm, a legnagyobb vízszint-változás 18 m volt. Az összes légnyomás periódus száma az 1970. év folyamán 59 volt. Összehasonlítva a tatabányai és a jósvafői légnyomás-vízszint kapcsolat vizsgálat eredményeit az alábbiakat lehetett megállapítani: A Tatabánya-l. sz. fúrásban talált folyamatos légnyomás-vízszint kapcsolattal szemben a Jósvafő 1. sz. fúrásban egy év alatt biztosan csak 5 alkalommal fordult elő légnyomás eredetű vízszint-változás. Feltételezhető, hogy a légnyomásés a vízszint-ingadozás között Jósvafőn is ugyanolyan időbeli kapcsolat játszódik le, mint Tatabányán, csak a jósvafői kútban ezek a változások egy nagyságrenddel kisebbek és ezért többnyire méréshatár alatt maradnak. Ennek a különbségnek két oka lehet. Az egyik ok arra vezethető vissza, hogy a jósvafő környéki erősebben karsztosodott wettersteini-mészkőben a járatok átlagos szélessége nagyobb, mint a tatabányai fedett-karsztban, ahol a járatok tágulására nem volt lehetőség. Az eltérés másik oka pedig abban keresendő, hogy a tatabányai rendkívül nagy légnyomás eredetű vízszintingadozás a fedett karszt tényéből következik. A légnyomás ugyanis csak a fúrás helyén lép kapcsolatba a karsztvízszinttel. Ennek következtében nagy légnyomást követő kisebb érték időszakában a vízszint azért tud nagymértékben felemelkedni, mert a kút környezetében magasabban maradt vízszint következtében a vizsgált fúrásban rövid idő alatt képes vissza- alakulni az eredeti vízmagasság. 5. Kapcsolat a légnyomás-ingadozás és a forráshozam -változás között Az öt légnyomás eredetű vízszint-változás kialakulását egy másik megfigyelés segítségével lehet megmagyarázni. 1972. június 16-án kapcsolatot találtunk egy zivatart kezdetén kialakuló éles légnyomás csökkenés és az egyidejűleg regisztrált litoklázis-fluktuáció változása között. (Ez utóbbi barlangi vizsgálatot annak idején az árapály-jelenség kimutatására dolgoztuk ki). A 5. ábra értelmében a Vass Imre-barlangi mérőhelyen a légnyomás csökkenés hatására a barlang-folyosó szemben álló két fala között ugrásszerű változás történt a hossz- és függőleges-irányú nyíró-mozgásban és a keresztirányú dilatációban is. A fél mikrométeres járat-szűkülést jelentő dilatáció arra mutat, hogy a jelentősebb légnyomás minimumok következtében létrejövő terhelés csökkenés litoklázis-fluktuációt vált ki a karsztos kőzetben, amely 70
adott esetben kis vízszint- és vízhozam-változásra vezet. E megfigyelés alapján arra lehet következtetni, hogy a Jósvafő-1 sz. karsztvízszint-észlelő kútban megfigyelt légnyomás eredetű kis vízszint csúcsok csak azért tudtak létrejönni, mert a légnyomás minimumok jelentősebb terhelés csökkenése időnkét képes litoklázis-fluktuációt is létrehozni a kőzetben, ami átlagosnál nagyobb vízszint és vízhozam növekedéssel jár együtt. Úgy tűnik, hogy az első légnyomás-hatás vizsgálat (1. ábra) sikere is erre a körülményre vezethető vissza. Természetesen a ritkábban előforduló vízszint minimumokat légnyomás növekedések okozzák. 5. ábra. A légnyomás-változás zivatar-orra és a litoklázis-fluktuáció változása közötti kapcsolat kimutatása. Fig. 5. The demonstration of the connection between the air-pressure fluctuation the nose of the storm and the lithoclasses fluctuation. 6. A légnyomás-hatás működési mechanizmusa A korábbi elgondolások szerint a légnyomás-hatás csak akkor képes befolyásolni a forráshozam-változását, ha légnyomás különbség alakul ki a vízgyűjtő-terület és a forrás fakadási helye között. Ez annyit jelent, hogy nagyobb területen kialakuló azonos légnyomás esetén a légnyomás-hatás nem tud hatni a forráshozam-változásra. Az időjárási frontok vonulása során azonban rendszeresen légnyomás különbség alakul ki a vízgyűjtő-terület és a forrás között, ezért a légnyomás folyamatosan változik (3, 4. ábra). Ezért a légnyomásnak is részt kell vennie a források hozam-ingadozásának kialakításában. 71
A karsztforrások vízhozam-változását a 6. ábra értelmében a karsztvízszint-ingadozás hozza létre. Véleményünk szerint a mészkőbe mélyített Jósvafő-1 sz. észlelőkútban megfigyelt maximálisan 22 m-es vízszintingadozás hidrodinamikus nyomás-változása vezérli a fúrás közelében fakadó Nagy-Tohonya-forrás vízhozam-változását (3. ábra). Természetesen a víznyelőkön befolyó vizek is hozzájárulnak a mindenkori forráshozam kialakulásához. A tapasztalat szerint azonban Jósvafő környékén a víznyelőkbe befolyó vizek általában csak néhány órás forráshozam-változást okoznak. Ugyanakkor a csapadékos áradások átlagos időtartama legalább három hét. 6. ábra. A Jósvafő-1.sz. karsztvízszint-észlelő fúrás vízszintjének és a jósvafői Nagy-Tohonya-forrás vízhozamának egyidejű idősora Csepregi András vizsgálatai szerint. Fig. 6. The simultaneous time series of the water level of the No. 1. at the Jósvafő observation well and the discharge of the Nagy-Tohonya spring at Jósvafő, according to the research of András Csepregi. A tatabányai mérési eredmények pedig arra mutatnak, hogy a mindenkori légnyomás értéke is hozzáadódik a forráshozam ingadozást létrehozó hidrodinamikus-nyomás értékéhez. Nyílt-karsztos területen ugyanis a karsztvízszint minden pontján érvényesül a légnyomás vízszint befolyásoló hatása. Ez a többlet-nyomás azonban nem feltétlenül növeli meg a forráshozamot, mert amennyiben a légnyomás értéke csökken, akkor a vízszintváltozás nő és ez fordítva is igaz. Ezért légnyomás-ingadozás hatására a hozam-változás általában kiegyenlítődik, mert a változást befolyásoló két tényező nyomásösszege érdemben nem változik meg. 72
7. Eredmények összefoglalása 1972-ben nem találtunk légnyomás eredetű vízhozam-ingadozást a Jósvafő környéki források vízhozam-változásában. Az első részletes vizsgálat során azonban kitűnt, hogy a szivornyás kitöréseknek maximuma van a légnyomás-minimumok időszakában, tehát a légnyomás is részt vesz a hozamváltozás kialakításában. Ebben a tanulmányban bemutatjuk, hogy a későbbi vizsgálatok során a jósvafői karsztvízszint-idősorban is megfigyeltünk néhány légnyomás eredetű változást. Azt is megállapítottuk hogy a légnyomás csökkenés litoklázis-fluktuációt vált ki a karsztos kőzetben. Feltételezzük, hogy Jósvafőn néhány esetben ennek hatására alakul ki a karsztvízszint- és a forráshozam-változása is. A légnyomás hatása azért nem jelenik meg rendszeresen a források vízhozam- változásában mert a légnyomás- és a vízszint-ingadozás folyamatosan, de ellentétesen változik (GERBER 1965). Ennek következtében a légnyomás-hatás gyakran megjelenik a vízszintváltozásban, de szerepe általában kiegyenlítődik a forráshozam-ingadozásban. Ez a körülmény teszi érthetővé a légnyomás-hatás különleges működési mechanizmusát. IRODALOM CSEPREGI A. - MAUCHA L. (1998): A vízszint és a forráshozam változások kapcsolata. - Az Aggteleki-hegység karszthidrológiai kutatási eredményei és zavartalan hidrológiai adatsorai. 1958-1993. VITUKI, Budapest. 57. p. GERBER P. (1965): Karszthidrológiai megfigyelések a tatabányai medence nyugati sasbércén. - V. Bányavízvéd. Konf. kiadv. Budapest. 74 p. MAUCHA L. (1967). Karsztos szivornyák, mint hidraulikai jelfogók. - Karszt és Barlang. I.-II. Budapest. p. 11-16. MAUCHA L. (1997): Magyarország karsztforrásainak különleges vízhozam változásai az Aggteleki-karsztvidéken. - Karszt és Barlang. I. - II. Budapest, p. 31-39. 73